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无人集群分布式可扩展架构及动态重组机制研究
| 论文题名： | 无人集群分布式可扩展架构及动态重组机制研究 |
| 关键词： | 水面无人艇;集群航行;协同控制;分布式可扩展架构;动态自组织机制;任务重规划 |
| 摘要： | 随着无人系统应用的场景和任务日趋复杂，单个无人系统已经不能够满足需要，复杂任务需要多个无人系统相互配合，形成集群，协同完成任务。目前采用集中式架构的无人集群会面临单点瘫痪问题，一旦中心节点出现故障，整个无人集群无法正常工作。此外，无人集群缺乏可扩展性，难以应对无人系统数量动态变化的情况，无人集群不能自主调整支持部分无人系统的损失或新增。在传统的无人集群任务重规划中会进行全局任务重规划，难以提高任务重规划效率。本文对无人集群的分布式可扩展架构以及动态重组机制中的动态自组织机制和任务重规划方法展开研究。 本文提出了一种柔性三层可扩展分布式架构，并基于此架构提出了动态自组织机制，结合动态自组织机制提出了动态重规划方法。首先对于无人集群可能会面临的单点瘫痪和不具有可扩展性问题，提出了一种“1+C+X”模式的柔性三层可扩展分布式架构模型，采用分布式架构无人集群不会有单点瘫痪的发生，并且可以通过柔性三层可扩展架构支持控制结构的自动重构，使无人集群具有可扩展性。此外，基于柔性三层可扩展分布式架构，提出了动态自组织机制，保证无人集群中无人系统可以动态增加或减少。最后，针对无人集群中无人系统增加或减少导致的任务重规划问题，本文基于动态自组织机制，结合合同网协议算法提出了一种高效的动态重规划算法。通过该算法无人集群可以根据无人系统增减情况进行局部的任务重规划，实现了对态势变化的快速反应，在尽量少的时间产生新的规划方案，大大提高了无人集群工作效率。 本文以水面无人艇(Unmanned Surface Vehicle，USV)作为无人系统实体，以编队航行、区域巡逻、护航3种典型的无人集群任务模式为例，使用Vega仿真软件搭建的USV集群协同控制仿真实验平台，进行无人集群可扩展性和任务重规划的实验。通过仿真实验验证了“1+C+X”模式的柔性三层可扩展分布式架构模型的合理性，同时验证了动态自组织机制的有效性，并实现了无人集群的任务重规划。使得无人系统以USV为实体的无人集群具有可扩展性并能满足任务需求。 |
| 作者： | 林烊 |
| 专业： | 软件工程 |
| 导师： | 刘海波 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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